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Microeletrônica

Germano Maioli Penello

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica%20_%202015-1.html

Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica)

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Sala limpa

Turbulenta Laminar

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

Ambiente normal - 35,000,000 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5mm

Sala limpa (ISO 1) – 12 partículas/m3 com tamanhos abaixo de 0.3mm

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Sala limpaAmbiente controlado: temperatura, umidade, fluxo de ar, descargas eletrostáticas, baixa quantidade de poluentes, poeira, partículas suspensas, vapores químicos

A roupa é para proteger a sala limpa do usuário!

Os móveis são feitos de materiais que não liberem partículas (teflon, aço inox)

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Sala limpa (sala amarela)

Sala onde a luz ambiente não contém radiação UV.

O fotorresiste é sensível à radiação UV e pode ser manuseado nesta sala sem preocupação.

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Poço

Primeira camada a ser fabricada no circuito integrado CMOS

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Diodo parasíticoUm poço-n num substrato tipo-p forma um diodo

Para evitar que este diodo seja polarizado diretamente (conduza corrente), o substrato é normalmente o ponto de menor tensão do circuito (aterrado).Idealmente, não existe corrente fluindo no substrato.

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Resistor (poço-n)

Além de ser usado como o corpo do PMOS, o poço pode ser usado como um resistor.

Se as tensões nos terminais do resistor forem maiores que a tensão do substrato, podemos evitar que o diodo parasítico seja polarizado diretamente.

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Crescimento de SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

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Crescimento de SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

Pro efeito de interferência de luz, dá para se estimar a espessura do óxido apenas analisando a sua cor! Mesma explicação do efeito de coloração observada quando existe óleo derramado sobre a água na rua.

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FotorresisteSpin coating - spinner

https://www.youtube.com/watch?v=CyExUbrWT9A

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Difusão

Difusão de átomos doadores (tipo-n).

Elemento da coluna V da tabela periódica

P - Fósforo.

Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor

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Leiaute do poço-nO leiaute das máscaras fotolitográficas é feita consideranto a visão superior. Um dos pontos chaves do leiaute é o fator de escala. Ex.:Dimensões mínimas = 50nmQuadrado de 10x10 (adimensional) tem seus lado de 500nm desprezando a difusão lateral e outras imperfeições.

Usar números inteiros para desenhar o leiaute simplifica o processamento.

Vista superior

Seção reta

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Regras de design (poço-n)Existem regras que determinam o espaçamento e tamanho mínimos requerido para todas as camandas do processamento CMOS!

O engenheiro de processo é quem especifica essas regras e também quem projeta o CI. As regras variam dependendo da tecnologia usada (processos com fator de escala 1mm tem diferentes regras de processos com fator de escala de 50nm)

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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.

Lembrando:

A resistência de um material depende do propriedades intrínsecas do material e da sua geometria.

Propriedade do mateiral: ResistividadeGeometria: Comprimento e área de seção reta

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Leiaute de quinasVimos como fazer resistores com o poço-n, mas e se quisermos poupar espaço e fazer algo diferente de um retângulo?

Qual a resistência desta configuração se Rs = 100 W/sq?

A resistência da quina é aproximadamente 0.6 Rs

A resistência total entre os pontos A e B é de 2.6 W/sq

Mas o valor de resistência de folha não é tão preciso! Dependendo do processo, a resistência pode variar significativamente!

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Leiaute de quinasPara evitar os problemas mostrados no slide anterior, evita-se fazer resistências com quinas (cantos). Um método preferível é de conectar resistores retangulares com fios.

Desta maneira, podemos ter uma maior confiabilidade no valor dos resistores projetados.

Ex.: Ganho de um op-amp depende da razão de resistores. Se os valores das resistências projetadas não fo igual ao da resitência medida no circuito, o projeto não será bem sucedido.

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Resistor de poço-nAo longo do curso veremos as diversas camadas, não se preocupe por agora.

Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

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Resistor de poço-nAo longo do curso veremos as diversas camadas, não se preocupe por agora.

Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

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ExercícioProjete um resistor de 250 kW usando um poço-n num padrão de serpentina. O comprimento máximo de cada segmento é de 100 e a resistência de folha é de 2 kW/sq. Confira as regras de design do resistor! Se o fator de escala for de 50 nm, estime o tamanho do resistor fabricado.

http://www.staticfreesoft.com/index.html

Programa gratuito para criar leiautes e esquemáticos. Simula o leiaute em conjunto com o SPICE.

Façam este exercício seguindo as regras de design do programa.

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Diodo entre o poço-n e o substrato

Vimos que o poço-n forma um diodo (uma junção pn) com o substrato.

Como incluir este diodo num modelo que explique o circuito?

Faremos isso analisando matematicamente as equações que governam o funcionamento do diodo e também veremos como o SPICE realiza as simulações.

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DiodoAs características DC de um diodo são dadas pela equação de Shockley do diodo

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http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/iv/index.html

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ID – corrente no diodoIS – Corrente de saturaçãoVd – Tensão no diodoVT – Tensão térmica (~25meV @ 300K)n – coeficiente de emissão (relaciando com o perfil de dopagem)

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SPICE considera que o valor de Is fornecido pelo modelo foi medido com uma área de referência 1. Se um fator de área igual a 2 é utilizado no diodo, Is será o dobro.

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Metal – semicondutor - isolante

http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf

Estrutura da bandas

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Semicondutor

Pontos importantes:

Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material

Mobilidade (facilidade de se mover no cristal) do elétron é maior do que a do buraco

Uma forma simples de pensar é lembrar que o buraco é o movimento coletivo de elétrons.

Analogia, uma pessoa sozinha (elétron) se move facilmente. Uma fila de pessoas se movendo quando abre um espaço (buraco), se movem mais lentamente.

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Semicondutor

Pontos importantes:

Aumentar o número de buracos ou elétrons aumenta a condutividade do material

Mobilidade (facilidade de se mover no cristal) do elétron é maior do que a do buraco

PONTO IMPORTANTE!

As mobilidades do buraco e do elétron são diferentes, isto afeta o tamanho dos MOSFETs. NMOS são menores que PMOS para que eles tenham a mesma capacidade de corrente, Ids.

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Tempo de vida do portador

Quando a temperatura aumenta, o semicondutor absorve calor. Elétrons na banda de valência ganham energia para serem excitados para a banda de condução.

Note a importância de Eg no semicondutor!

Esta excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução é chamada de geração.

Quando o elétron volta da banda de condução para a banda de valência, isto é chamado de recombinação.

O tempo que o elétron passa na banda de condução antes de recombinar (voltar para a banda de valência) é aleatório. Ele é caracterizado pelo tempo de vida do portador tT. (valor rms do tempo que o elétron passa na banda de condução)

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Concentração de portadores

O tempo de vida do portador é um parâmetro muito importante no projeto de circuitos integrados.

Outro parâmetro importante é o número de elétrons na banda de condução ou de buracos na banda de valência (chamada de concentração de portadores).

A temperatura 0K, qual o número de elétrons na banda de condução? E de buracos na banda de valência?

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Concentração de portadores

O tempo de vida do portador é um parâmetro muito importante no projeto de circuitos integrados.

Outro parâmetro importante é o número de elétrons na banda de condução ou de buracos na banda de valêncai (chamada de concentração de portadores).

À temperatura ambiente (~300K), o número de portadores intrínsecos no Si é de

ni = 14.5 x 109 cm-3

Unidade em número de portadores por volume.

(ni - portadores intrínsecos)

Nesta situação, qual o número de elétrons livres (elétrons excitados na banda de condução)? Qual o número de buracos?

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Concentração de portadoresÀ temperatura ambiente (~300K) em um Si intrínseco,

n – elétrons livresp – buracos

Pode parecer um número grande, mas é baixo se comparado ao número de átoms de Si no cristal (NSi = 50 x 1021 cm-3)

Só existe um par elétron/buraco a cada ~1012 átomos de Si

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Dopagem

A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor.Dopante tipo p?Dopante tipo n?

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Dopagem

A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor.Dopante tipo p? – B (coluna III da tabela periódica)Dopante tipo n? – P (coluna V da tabela periódica)

Se doparmos o semicondutor com um número muito maior do que o número de portadores intrínsecos, podemos fazer a seguinte aproximação.No caso de dopagem com excesso de elétrons, o número de elétrons livres, n, no material é

Semicondutor dopado do tipo-n

Por que NSi >> ND?

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Dopagem

A dopagem é feita para alterar as propriedades elétricas do semicondutor.Dopante tipo p? – B (coluna III da tabela periódica) material doadorDopante tipo n? – P (coluna V da tabela periódica) material aceitador

Se doparmos o semicondutor com um número muito maior do que o número de portadores intrínsecos, podemos fazer a seguinte aproximação.No caso de dopagem com falta de elétrons, o número de buracos, p, no material é dado por

Semicondutor dopado do tipo-p

Por que NSi >> ND?

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DopagemA dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realziar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excessor é de buracos.

É de se imaginar que, se o número de elétrons aumenta com a dopagem, o número de buracos no mesmo material diminua. Por que?

Essa relação entre elétrons, buracos e número de portadores intrínsecos é governada pela Lei de ação das massa

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DopagemA dopagem aumenta a condutividade porque agora há mais portadores disponíveis para realziar a condução. No semicondutor tipo-n esse excesso é de elétrons. No semicondutor tipo-p esse excessor é de buracos.

É de se imaginar que, se o número de elétrons aumenta com a dopagem, o número de buracos no mesmo material diminua. Por que?

Essa relação entre elétrons, buracos e número de portadores intrínsecos é governada pela Lei de ação das massa

Elétrons livres em excesso se recombinam com os buracos disponíveis reduzindo o número de buracos no material.

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Exemplo

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Exemplo

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Exemplo

Pouquíssimos buracos! Note que com ND = 1018, a aproximação de que

começa a não ser muito boa. Quando ND ~ NSi, o material é chamado de degenerado. Materiais degenerados não seguem mais a lei de ação das massas.

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Energia de Femi

A energia de Fermi indica quando a probabilidade de ocupação de um elétron livre é de 50%.

Ela é útil na determinação de potenciais de contato entre materiais.

Ef (= Ei) aproximadamente no meio do gap

Energia de fermi do material intrínseco

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Energia de Femi

Num semicondutor do tipo p

Ef se aproxima da banda de valência. Número de elétrons é reduzido com o excesso de buracos.

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Energia de Femi

Num semicondutor do tipo n

Ef se aproxima da banda de condução.

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Energia de Fermi

A diferença de energia entre Ei e Ef é dada por

Percebemos com estas equações que a dopagem controla o nível de Fermi!

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Energia de Fermi (Junção pn)

Ao criar uma junção pn, como fica a estrutura de banda da junção?

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A energia de Fermi é importante nesta análise. Ela indica a situação de equilíbrio.

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Junção pn

Uma variação na Ef indica uma situação de não equilibrio. Se não tem potencial aplicado na junção, a Ef é constante na estrutura.

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Junção pn

Como determinar Vbi?

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Junção pn

(Reveja eq. do slide 43)

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Junção pn (diodo)

Para que exista o fluxo de corrente em um diodo, devemos aplicar uma tensão que se aproxima de Vbi.

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html

Aplicativo:

Analise qual é o lado p e qual é o lado n da junção.

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Notas do trabalho 1

Matricula T 01 Electric T 01 escrito201010069311

201420697011 7,0 9,0

201110060411 10,0 9,0

200910074811 5,0 6,0

201010067511

200810248411

200920386311 3,0 5,0

201210069111 9,0 9,0

201110313311 9,0 9,0

201310074311 0,0 5,0

201220453211

201210073911 6,0

201020409011 9,0

201220690511 8,0 8,0

201010073111 10,0 8,0

201110065011 7,0 7,0

201120427611

200520398511 7,0 5,0

201310071711 7,0 7,0

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